โดยไม่คำนึงถึงประสิทธิภาพ ต้นทุน หรือความปลอดภัย แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้แบบโซลิดสเตตทั้งหมดเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในการทดแทนพลังงานฟอสซิล และตระหนักถึงเส้นทางสู่ยานพาหนะพลังงานใหม่ในที่สุด
ในฐานะผู้ประดิษฐ์วัสดุแคโทด เช่น LiCoO2, LiMn2O4 และ LiFePO4 Goodenough จึงเป็นที่รู้จักกันดีในด้านแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและเป็น "บิดาแห่งแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน" อย่างแท้จริง
ในบทความล่าสุดใน NatureElectronics John B. Goodenough ซึ่งมีอายุ 96 ปี ได้ทบทวนประวัติความเป็นมาของการประดิษฐ์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จไฟได้และแสดงให้เห็นหนทางข้างหน้า
ในทศวรรษ 1970 วิกฤติน้ำมันปะทุขึ้นในสหรัฐอเมริการัฐบาลตระหนักดีว่าต้องพึ่งพาการนำเข้าน้ำมันมากเกินไป จึงได้เริ่มความพยายามครั้งใหญ่ในการพัฒนาพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมเนื่องจากธรรมชาติของพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมไม่ต่อเนื่องแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ในที่สุดก็จำเป็นต้องจัดเก็บแหล่งพลังงานทดแทนและพลังงานสะอาดเหล่านี้
กุญแจสำคัญในการชาร์จและการคายประจุแบบพลิกกลับได้คือการพลิกกลับของปฏิกิริยาเคมี!
ในเวลานั้น แบตเตอรี่ที่ไม่สามารถชาร์จใหม่ได้ส่วนใหญ่ใช้ขั้วไฟฟ้าขั้วลบลิเธียมและอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์เพื่อให้บรรลุถึงแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ ทุกคนเริ่มทำงานเกี่ยวกับการฝังลิเธียมไอออนแบบพลิกกลับได้ลงในแคโทดโลหะทรานซิชันซัลไฟด์แบบชั้นStanley Whittingham จาก ExxonMobil ค้นพบว่าการชาร์จและการคายประจุแบบพลิกกลับสามารถทำได้โดยการใช้เคมีแบบอินเทอร์คาเลชันโดยใช้ TiS2 ที่ซ้อนกันเป็นชั้นเป็นวัสดุแคโทด โดยมีผลิตภัณฑ์ที่ปล่อยออกมาคือ LiTiS2
เซลล์นี้พัฒนาโดย Whittingham ในปี 1976 มีประสิทธิภาพเริ่มต้นที่ดีอย่างไรก็ตาม หลังจากชาร์จและคายประจุซ้ำหลายครั้ง เดนไดรต์ลิเธียมก็ก่อตัวขึ้นภายในเซลล์ ซึ่งขยายตัวจากขั้วลบไปยังขั้วบวก ทำให้เกิดการลัดวงจรที่อาจจุดชนวนอิเล็กโทรไลต์ได้ความพยายามครั้งนี้จบลงด้วยความล้มเหลวอีกครั้ง!
ในขณะเดียวกัน Goodenough ซึ่งย้ายไปที่อ็อกซ์ฟอร์ด กำลังตรวจสอบว่าลิเธียมสามารถถอดออกจากวัสดุแคโทด LiCoO2 และ LiNiO2 ที่เรียงเป็นชั้นได้มากที่สุดเท่าใด ก่อนที่โครงสร้างจะเปลี่ยนไปในท้ายที่สุด พวกเขาประสบความสำเร็จในการดี-ฝังลิเธียมมากกว่าครึ่งหนึ่งจากวัสดุแคโทดแบบพลิกกลับได้
ในที่สุดการวิจัยครั้งนี้ก็ได้ชี้แนะให้ Akira Yoshino จาก AsahiKasei เตรียมการวิจัยชิ้นแรกแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบชาร์จไฟได้: LiCoO2 เป็นอิเล็กโทรดบวก และกราไฟต์คาร์บอนเป็นอิเล็กโทรดลบแบตเตอรี่นี้ใช้ในโทรศัพท์มือถือรุ่นแรกๆ ของ Sony ได้สำเร็จ
เพื่อลดต้นทุนและเพิ่มความปลอดภัยแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ทั้งหมดที่มีของแข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์ดูเหมือนจะเป็นทิศทางสำคัญสำหรับการพัฒนาในอนาคต
ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 นักเคมีชาวยุโรปทำงานเกี่ยวกับการฝังลิเธียมไอออนแบบพลิกกลับได้ลงในวัสดุทรานซิชันโลหะซัลไฟด์แบบหลายชั้นในเวลานั้น อิเล็กโทรไลต์มาตรฐานสำหรับแบตเตอรี่แบบชาร์จได้ส่วนใหญ่เป็นอิเล็กโทรไลต์น้ำที่เป็นกรดและด่างเข้มข้น เช่น H2SO4 หรือ KOHเนื่องจากในอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำเหล่านี้ H+ มีการแพร่กระจายที่ดี
ในเวลานั้น แบตเตอรี่แบบชาร์จได้ที่มีความเสถียรที่สุดถูกสร้างขึ้นโดยใช้ NiOOH แบบเรียงชั้นเป็นวัสดุแคโทด และอิเล็กโทรไลต์น้ำอัลคาไลน์เข้มข้นเป็นอิเล็กโทรไลต์h+ สามารถฝังแบบย้อนกลับได้ในแคโทด NiOOH แบบชั้นเพื่อสร้าง Ni(OH)2ปัญหาคืออิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำจำกัดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานต่ำ
ในปี 1967 Joseph Kummer และ NeillWeber จาก Ford Motor Company ค้นพบว่า Na+ มีคุณสมบัติการแพร่กระจายที่ดีในอิเล็กโทรไลต์เซรามิกที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 300°Cจากนั้น พวกเขาคิดค้นแบตเตอรี่แบบชาร์จ Na-S ได้ โดยมีโซเดียมหลอมเหลวเป็นขั้วลบ และกำมะถันหลอมเหลวที่มีแถบคาร์บอนเป็นขั้วบวกด้วยเหตุนี้ พวกเขาจึงคิดค้นแบตเตอรี่แบบชาร์จ Na-S ได้ ได้แก่ โซเดียมหลอมเหลวเป็นอิเล็กโทรดขั้วลบ ซัลเฟอร์หลอมเหลวที่มีแถบคาร์บอนเป็นอิเล็กโทรดขั้วบวก และเซรามิกแข็งเป็นอิเล็กโทรไลต์อย่างไรก็ตาม อุณหภูมิในการทำงานที่ 300°C จะทำให้แบตเตอรี่นี้ไม่สามารถนำไปใช้ในเชิงพาณิชย์ได้
ในปี 1986 Goodenough ได้สร้างแบตเตอรี่ลิเธียมแบบชาร์จไฟได้แบบโซลิดสเตตทั้งหมดโดยไม่ต้องสร้างเดนไดรต์โดยใช้ NASICONปัจจุบัน แบตเตอรี่ลิเธียมและโซเดียมแบบชาร์จซ้ำได้แบบโซลิดสเตตทั้งหมดที่ใช้อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตต เช่น NASICON ได้ถูกจำหน่ายในเชิงพาณิชย์แล้ว
ในปี 2015 MariaHelena Braga แห่งมหาวิทยาลัยปอร์โตยังได้สาธิตอิเล็กโทรไลต์ของแข็งออกไซด์ที่มีรูพรุนที่เป็นฉนวน พร้อมการนำลิเธียมและโซเดียมไอออน ซึ่งเทียบได้กับอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ที่ใช้ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน
กล่าวโดยสรุป โดยไม่คำนึงถึงประสิทธิภาพ ต้นทุน หรือความปลอดภัย แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้แบบโซลิดสเตตทั้งหมดเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุดในการทดแทนพลังงานฟอสซิล และในที่สุดก็ตระหนักถึงเส้นทางสู่ยานพาหนะพลังงานใหม่!
เวลาโพสต์: 25 ส.ค.-2022